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熱電材料作為一種熱能和電能相互轉換的功能性材料，具有環境友好、重量輕、堅固、工作無噪音等一系列特點，成為材料科學的研究熱點。隨著相關從業者的研究深入，新型、先進的熱電材料不斷出現，熱電材料測試技術的專業要求也變得越來越高。

為了幫助行業用戶學習、了解熱電材料測試最新技術及分析方案等內容，儀器信息網特別策劃了“熱電材料測試技術”專題，并邀請到QUANTUM量子科學儀器貿易(北京)有限公司（暨QUANTUM DESIGN中國子公司）銷售總監苗雁鳴博士就熱電材料測試相關問題發表看法。 

 

苗雁鳴 博士

QUANTUM DESIGN中國子公司銷售總監

儀器信息網：現行的熱電材料相關測試技術是否滿足國內市場日益提升的測試需求？有哪些方面需要進行改進或完善？

苗雁鳴：熱電材料作為一種新型能源轉換材料，在航空航天、清潔能源、電子技術等眾多領域有著廣泛的應用。隨著熱電材料的研究熱度逐漸提高，市場對熱電材料性能表征儀器的需求也在不斷增加。

雖然從原理上來說，熱電材料的測試技術已經比較成熟，但是市場上的儀器還需要不斷發展來適應日趨多樣化的測試需求。例如，傳統的塞貝克系數測量儀器結構較為復雜，且測試單個樣品的時間較長，不利于樣品的快速檢測。

此外，目前針對塊體材料性能測試的設備較多，而針對需要測量塞貝克系數分布材料（如薄膜材料和功能梯度材料等）的儀器較少，不能滿足材料組分均勻性研究的需求；大部分測試薄膜熱電性能的儀器主要測試的是薄膜內方向（即XY方向），而能夠測試薄膜厚度方向的儀器還非常少見；熱電材料研究的最終目標是為了實用，所以熱電材料的熱點轉換效率非常重要，而能直接測量熱電材料的熱電轉換效率的儀器卻不多。

針對以上幾點問題，現在市場上能滿足這些測量需求，且比較有代表性的儀器有美國QUANTUM DESIGN公司用于低溫高精度熱電性質測量的PPMS綜合物性測量系統熱輸運模塊、日本ADVANCE RIKO公司用于室溫及高溫熱電性能測量的ZEM和PEM系列，以及德國PANCO公司用于測量塞貝克系數二維分布的PSM II顯微鏡。

新一代PPMS綜合物性測量系統

儀器信息網：目前的熱電材料測試項目中哪些值得特別關注？相關分析測試方法的技術難點主要在哪？

苗雁鳴：塊體熱電材料仍是目前的應用主體，但在持續探索新型高性能熱電化合物的同時，采用微結構調控等手段對傳統熱電材料性能進一步優化和提高是研究的重要方向。納米線和薄膜等由于結構上顯著的各向異性從而產生了獨特電聲輸運特性，對于此類材料的熱電特性測試值得特別關注。

以材料的塞貝克系數測量為例，傳統的測量方法和設備都是針對塊狀材料測試需求開發設計的，即使有為薄膜材料專門設計的夾具，其測試方向也是平行于材料表面的。而隨著各向異性材料越來越多，如超晶格薄膜等被應用于熱電元件，對于厚度方向上塞貝克系數的測量需求也越來越迫切。

測試的技術難點主要在于試樣的尺寸較小，測量時的相應信號較弱，必須采用高精度的數字電壓表，同時還需保持微米厚度試樣兩側的溫差恒定以及兩側的溫度測量精確。

熱導率的測量由于熱傳輸的多種方式（輻射、對流等）而更加困難，測量時應盡量減小被測物體內部途徑之外的熱輸運。對于薄膜樣品，由于其熱損失嚴重，難以保持薄膜兩邊的熱穩定，多采用測量速度快、準確度高的瞬態法進行測量，如激光閃光法等。

日本ADVANCE RIKO公司的塞貝克系數與電阻測量系統ZEM系列在全球銷售量超過300臺，廣獲全球科研及工業用戶的贊譽，成為熱電材料領域標桿性的測試設備。2019年， ADVANCE RIKO公司在此前的成功基礎上推出了專門用于評價聚合物厚度方向上熱電性能的全新設備ZEM-d。

用于評價聚合物厚度方向上熱電性能的全新設備ZEM-d系統

與廣獲贊譽的ZEM系列（ZEM-3/ZEM-5）不同，ZEM-d測量的是聚合物薄膜厚度方向上的塞貝克系數和電阻率，可以測量的樣品最薄為10 μm。此外，由于與采用激光閃光法測量薄膜的熱擴散率/導熱系數測量方向一致，其測量結果可廣泛應用于薄膜熱電材料的性能評價。

儀器信息網：請介紹一下QUANTUM DESIGN中國在熱電材料測試方面的核心儀器產品或產品組合？相比于同類產品，本公司的產品有哪些優勢？

苗雁鳴：QUANTUM DESIGN中國針對熱電材料測試，有多種測量儀器，涵蓋了熱電測試的各種需求。

現包括可以在1.9K-400K溫度間、±16T磁場下進行熱導率、塞貝克系數以及電導率測量的PPMS綜合物性測量系統熱輸運模塊；可以在 50-1000℃進行塞貝克系數和電阻測量的塞貝克系數/電阻測量系統-ZEM；可以在高溫下測量薄膜厚度方向上的塞貝克系數和電阻率的ZEM-d；最高800℃下測量熱電轉換效率、發電量、熱流量的熱電轉換效率測量系統-PEM，小型熱電轉換效率測量系統-Mini-PEM以及大氣環境下熱電材料性能評估系統-F-PEM；可以測量薄膜或塊體表面塞貝克系數和電阻二維分布的PSM II顯微鏡；等等。

除了ZEM有一些仿制產品外，其他如PPMS綜合物性測量系統熱輸運模塊，ZEM-d，PEM，Mini-PEM，F-PEM和PSM II都是QUANTUM DESIGN中國獨有的產品。

儀器信息網：QUANTUM DESIG中國在熱電材料測試方面可以提供哪些分析評估方案？這些方案可以為用戶解決什么研究難題？

苗雁鳴：QUANTUM DESIG中國提供的儀器可對熱電材料，以及超導材料、半導體材料、高分子材料、納米材料、燃料電池、導電陶瓷、塊材、薄膜、單晶等進行熱導率、塞貝克系數、電導率、電阻、熱電轉換效率、發電量、熱流量和塞貝克系數和電阻二維分布測量，最大程度來滿足熱電材料研究者方方面面的熱電相關測試需求。

儀器信息網：針對熱電材料領域，QUANTUM DESIG中國接下來的有怎樣的戰略規劃？

苗雁鳴：QUANTUM DESIGN中國作為美國QUANTUM DESIGN公司在全世界設立的諸多子公司之一，全權負責美國QUANTUM DESIGN公司本部產品在中國銷售和售后服務的同時，還致力于發展與全球范圍內先進科學儀器制造商的合作，幫助其產品引進中國市場，發展與中國本地科學家的合作，并將實驗方法及設備商業化。

2018年7月，QUANTUM DESIGN中國與日本ADVANCE RIKO正式達成協議，作為其熱電材料測試設備在中國的獨家代理商繼續合作，進一步將日本ADVANCE RIKO的相關設備在中國大陸、香港和澳門推廣。并且在日本ADVANCE RIKO公司的協助下，QUANTUM DESIGN中國在北京建立了示范實驗室和用戶服務中心。

截止目前，QUANTUM DESIGN中國在北京設立樣機實驗室已有超過300萬美元的投入，其中與熱電材料相關的有PPMS DYNACOOL綜合物性測量系統樣機演示實驗室以及小型熱電轉換效率測量系統Mini-PEM樣機演示實驗室，致力于為中國熱電技術發展提供專業的支持和服務。

為了更好地服務國內熱電材料科研領域的客戶，QUANTUM DESIGN中國會不斷推出更為全面的測試手段。此外，QUANTUM DESIGN中國將攜手日本ADVANCE RIKO公司于近期推出厚度方向熱電性能評價系統ZEM-d的免費樣品測試活動。